Анизотропные кристаллы. Анизотропии свойств металлов

В кристаллах всегда есть атомы, кинетическая энергия которых выше средней. Такие атомы, особенно, если они находятся вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находя

щиеся дальше от поверхности, а принадлежащие им узлы кристаллической решетки окажутся свободными. Так возникают тепловые вакансии, т. е. возникающие при нагреве.
Вакансии искажают кристаллическую решетку изменяя тем самым, например электропроводность, кроме того играют определенную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах.
При комнатной температуре концентрация вакансий невелика, но при повышении температуры, особенно вблизи температуры плавления резко возрастает, но все равно мала – до 2 % при температуре плавления.
Быстрым охлаждением вакансии можно зафиксировать (скорость охлаждения велика, и атомы не успевают вернуться в исходное положение). Такие вакансии называют закалочными.
Вакансии образуются не только в результате нагрева, но и при пластической деформации.
Перемещаясь по кристаллу одиночные вакансии могут встречаться. В этом случае они могут объединяться в пары, образуя дивакансии (бивакансии), т. к. при этом уменьшается их суммарная поверхность, устойчивость такой спаренной вакансии возрастает. Возможно также образование тривакансий и целых цепочек.

Точечные дефекты оказывают влияние на физические свойства металлов: электропроводность, магнитные свойства и т.д., а также на фазовые превращения в металлах и сплавах. На механические свойства влияют мало.

Ли Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Особо важным видом линейных дефектов являются дислокации – локализованные искажения кристаллической решетки, вызванные наличием в них «лишней» атомной плоскости или экстраплоскости.

Кроме краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться винтовые дислокации, которые получаются путем частичного сдвига и закручивания.

Дислокации образуются уже при кристаллизации металла, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращениях.
Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций (). Плотность дислокаций – суммарная длина дислокаций, приходящаяся на единицу объема V кристалла. Для отожженнных металлов =10 6 – 10 8 см -2 . После холодной деформации увеличивается до 10 11 – 10 12 см -2 .

Вектор Бюргерса – это мера искаженности кристаллической решетки обусловленная присутствием в ней дислокации; он характеризует сумму всех упругих смещений решетки, накопившихся вокруг дислокации.

Дислокации оказывают влияние на механические свойства металлов.

Анизотропия - это зависимость свойств материала от направления. Материал считается изотропным , когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.

Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1).

В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а , а в направлении пространственной диагонали - а . Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.

Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.

В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией .

Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой . При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.

Естественная Анизотропия - наиболее характерная особенность кристаллов. Именно потому, что скорости роста кристаллов в разных направлениях различны, кристаллы вырастают в виде правильных многогранников: шестиугольные призмы кварца , кубики каменной соли, восьмиугольные кристаллы алмаза , разнообразные, но всегда шестиугольные звёздочки снежинок. Анизотропны, однако, не все свойства кристаллов. Плотность и удельная теплоёмкость у всех кристаллов не зависят от направления. Анизотропия остальных физических свойств кристаллов тесно связана с их симметрией и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов .

При нагревании шара из изотропного вещества он расширяется во все стороны равномерно, т. е. остаётся шаром. Кристаллический шар при нагревании изменит свою форму, например превратится в эллипсоид (рис. 1 , а). Может случиться, что при нагревании шар будет расширяться в одном направлении и сжиматься в другом (поперечном к первому, рис. 1 , б). Температурные коэффициенты линейного расширения вдоль главной оси симметрии кристалла (a //) и перпендикулярно этой оси (a ^) различны по величине и знаку.

Таблица 1. - Температурные коэффициенты линейного расширения некоторых кристаллов вдоль главной оси симметрии кристалла и в перпендикулярном ей направлении

Аналогично различаются удельные электрические сопротивления кристаллов вдоль главной оси симметрии r // и перпендикулярно ей r ^ .

Таблица 2. - Удельное электрическое сопротивление некоторых кристаллов вдоль главной оси симметрии и перпендикулярно ей (1 ом·см = 0,01 ом·м )

При распространении света в прозрачных кристаллах (кроме кристаллов с кубической решёткой) свет испытывает двойное лучепреломление и поляризуется различно в разных направлениях (оптическая Анизотропия ). В кристаллах с гексагональной, тригональной и тетрагональной решётками (например, в кристаллах кварца , рубина и кальцита ) двойное лучепреломление максимально в направлении, перпендикулярном к главной оси симметрии, и отсутствует вдоль этой оси. Скорость распространения света в кристалле v или показатель преломления кристалла n различны в различных направлениях. Например, у кальцита показатели преломления видимого света вдоль оси симметрии n // и перпендикулярно ей n ^ равны: n // = 1,64 и n ^ = 1,58; у кварца: n // = 1,53, n ^ = 1,54.

Механическая Анизотропия состоит в различии механических свойств - прочности, твёрдости, вязкости, упругости - в разных направлениях. Количественно упругую Анизотропия оценивают по максимальному различию модулей упругости . Так, для поликристаллических металлов с кубической решёткой отношение модулей упругости вдоль ребра и вдоль диагонали куба для железа равно 2,5, для свинца 3,85, для бета-латуни 8,7. Кубические монокристаллы характеризуются тремя главными значениями модулей упругости (табл. 3).

Таблица 3. - Главные значения модулей упругости некоторых кубических кристаллов

Математически анизотропные свойства кристаллов характеризуются векторами и тензорами , в отличие от изотропных свойств (например, плотности), которые описываются скалярными величинами. Например, коэффициент пироэлектрического эффекта (см. Пироэлектричество ) является вектором. Электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость , магнитная проницаемость и теплопроводность - тензоры второго ранга, коэффициент пьезоэлектрического эффекта (см. Пьезоэлектричество ) - тензор третьего ранга, упругость - тензор четвёртого ранга. Анизотропия графически изображают с помощью указательных поверхностей (индикатрисс): из одной точки во всех направлениях откладывают отрезки, соответствующие константе в этом направлении. Концы этих отрезков образуют указательную поверхность (рис. 2-5 ).

Поликристаллические материалы (металлы , сплавы ), состоящие из множества кристаллических зёрен (кристаллитов ), ориентированных произвольно, в целом изотропны или почти изотропны. Анизотропия свойств поликристаллического материала проявляется, если в результате обработки (отжига , прокатки и т. п.) в нём создана преимущественная ориентация отдельных кристаллитов в каком-либо направлении (текстура). Так, при прокатке листовой стали зёрна металла ориентируются в направлении прокатки, в результате чего возникает Анизотропия (главным образом механических свойств), например для прокатанных сталей предел текучести, вязкость, удлинение при разрыве, вдоль и поперёк направления проката различаются на 15-20% (до 65%).

Причиной естественной Анизотропия является упорядоченное расположение частиц в кристаллах, при котором расстояние между соседними частицами, а следовательно, и силы связи между ними различны в разных направлениях (см. Кристаллы ). Анизотропия может быть вызвана также асимметрией и определённой ориентацией самих молекул. Этим объясняется естественная Анизотропия некоторых жидкостей, особенно Анизотропия жидких кристаллов . В последних наблюдается двойное лучепреломление света, хотя большинство других их свойств изотропно, как у обычных жидкостей.

Анизотропия наблюдается также и в определённых некристаллических веществах, у которых существует естественная или искусственная текстура (древесина и т. п.). Например, фанера или прессованная древесина вследствие слоистости строения могут обладать пьезоэлектрическими свойствами, как кристаллы. Комбинируя стеклянное волокно с пластмассами, удаётся получить анизотропный листовой материал с прочностью на разрыв до 100 кгс/мм 2 . Искусственную Анизотропия можно также получить, создавая заданное распределение механических напряжений в первоначально изотропном материале. Например, при закалке стекла можно получить в нём Анизотропия , которая влечёт за собой упрочнение стекла.

Искусственная оптическая Анизотропия возникает в кристаллах и в изотропных средах под действием электрического поля (см. Электрооптический эффект в кристаллах, Керра явление в жидкостях), магнитного поля (см. Коттон-Мутона эффект ), механического воздействия (см. фотоупругость ).

М. П. Шаскольская.

Анизотропия широко распространена также в живой природе. Оптическая Анизотропия обнаруживается в некоторых животных тканях (мышечной, костной). Так, миофибриллы поперечно исчерченных мышечных волокон при микроскопии кажутся состоящими из светлых и тёмных участков. При исследовании в поляризованном свете эти тёмные диски, как и гладкие мышцы и некоторые структуры костной ткани, обнаруживают двойное лучепреломление, т. е. они анизотропны.

В ботанике Анизотропия называется способность разных органов одного и того же растения принимать различные положения при одинаковых воздействиях факторов внешней среды. Например, при одностороннем освещении верхушки побегов изгибаются к свету, а листовые пластинки располагаются перпендикулярно к направлению лучей.

Рис. 4. Сечения поверхности модуля кручений (а) и модуля Юнга (б) кристалла кварца; сечение поверхности пьезоэлектрического коэффициента в кварце (в).

Статья про слово "Анизотропия " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 21507 раз

, показателя преломления , скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; в противоположность изотропии .

В отношении одних свойств среда может быть изотропна , а в отношении других - анизотропна ; степень анизотропии также может различаться.

Частный случай анизотропии - ортотропия (от др.-греч. ὀρθός - прямой и τρόπος - направление) - неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям.

Примеры

Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел (точнее - лишь тех, кристаллическая решетка которых не обладает высшей - кубической симметрией). При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п.

Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, поляризуемость или электропроводность) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется, как правило, лишь если кристаллическая структура не слишком симметрична.

Помимо кристаллов, естественная анизотропия - характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков.

Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т.д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени - часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего ее внешнего воздействия.

Обменная анизотропия

Обменная анизотропия - особенность петель гистерезиса перемагничивания магнитных материалов, проявляющаяся в несимметричном расположении петли относительно оси ординат .

Анизотропия времени

• Выражается в существовании необратимых процессов.

• Философская и естественнонаучная проблема, исторически связанная с началами термодинамики и понятием энтропии .

• В классической механике время является абсолютной величиной; законы Ньютона инвариантны по отношению к направлению времени.

• также см. Направленность времени .

Примечания

См. также

Ссылки

1. Физическая энциклопедия, под ред. Прохорова А.М., 1988, Москва,"Советская энциклопедия", том 1, стр 83

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Анизотропия" в других словарях:

Анизотропия … Орфографический словарь-справочник

Анизотропия - – жбк. неодинаковость свойств (механических) по разным направлениям. [СНиП 2.03.01 84] Анизотропия – неодинаковость физических свойств материала или вещества по различным направлениям. [Терминологический словарь по строительству на 12 … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Современная энциклопедия

Анизотропия - (от греческого anisos неравный и tropos направление), характеристика физического тела, заключающаяся в том, что различные его свойства (например, механические, электрические, магнитные) в разных направлениях проявляются количественно неодинаково … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (от греч. anisos неравный и tropos направление) зависимость свойств среды от направления. Анизотропия характерна, напр., для механических, оптических, магнитных, электрических и др. свойств кристаллов … Большой Энциклопедический словарь

Разл. значение физ. свойств г. п. и м лов по разным направлениям; характерна для слоистых г. п., а также для п. с неравномерной структурой, при условии, что чередующиеся слои или зерна м лов имеют разл. физ. свойства. А. м лов обусловливается… … Геологическая энциклопедия

- (от греч. anisos неравный и tropos направление), зависимость физ. св в (механич., оптич., магн., электрич. и т. д.) в ва от направления. Естеств. А. характерная особенность кристаллов; напр.. пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки… … Физическая энциклопедия

анизотропия - Неодинаковость физических свойств материала или вещества по различным направлениям [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] анизотропия Неравномерность плотности материала мембраны в её поверхностном… … Справочник технического переводчика

- (от греч. anisos неравный и tropos направление) в ботанике, способность разных органов одного и того же растения принимать разл. положения при одинаковом воздействии факторов внеш. среды. Напр, при одностороннем освещении растений, верхушки… … Биологический энциклопедический словарь

Сущ., кол во синонимов: 3 анизотропность (1) макроанизотропия (1) неод … Словарь синонимов

Анизотропия - Анизотропия: неодинаковость свойств среды по различным направлениям внутри этой среды...

Плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Вследствие этого в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства(химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решётки.

Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях наз. анизотропией .

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов, аморфные тела(стекло) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность упаковки атомов и поэтому одинаковые свойства в различных направлениях. Аморфные тела изотропны .

Технические металлы состоят из большого количества по разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов и являютсяполикрис-таллами . Кристаллы неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому и поэтому свойства во всех направлениях получаются усред-нёнными (одинаковыми). Эта кажущаяся независимость свойств от направления наз. квазиизотропией (мнимая изотропность).

Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если все кристаллиты имеют одинаковую ориентировку в каком-то направлении. Эта ориентированность или текстура создаётся в результате значительной холодной деформации, например прокатки. Тогда поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств (вдоль и поперёк прокатки).

§ 8. Особенности кристаллического строения реальных кристаллов.

Виды несовершенств.

Реальный кристалл, в отличие от идеального, всегда имеет структурные несовершенства или дефекты. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на три типа:

точечные (нуль-мерные), - размеры которых малы во всех трёх измерениях;

линейные – размеры которых малы в двух направлениях (одномерные);

поверхностные – размеры которых малы только в одном измерении (двухмерные).

К точечным дефектам относятсявакансии или “дырки” (дефекты Шотки), т.е. узлы решётки, в которых атомы отсутствуют. Это происходит потому, что атомы колеблются возле точек равновесия (узлов решётки) и чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. В кристалле всегда имеются атомы, которые обладают энергией, значительно превышающей среднюю. Такие атомы имеют не только амплитуду колебаний больше, чем средняя, но и они могут ещё перемещаться с одного места в другое (например из узла в междоузлие, из грани кристалла наружу).

Вышедший из узла решётки атом наз. дислоцированным . Место, где находился такой атом, остаётся в решётке незаполненным, оно наз.вакансией .

При данной температуре в кристалле образуются не только одиночные вакансии, но и двойные, тройные и т.д.

Вакансии образуются и в процессе пластической деформации, а также при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий(в атомном реакторе).

Межузельные атомы (дефекты Френкеля) образуются в результате перехода атома из узла решётки в междоузлие. В плотноупакованных решётках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами.

Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решётки. Они оказывают влияние на некоторые физические свойства металла (электропроводимость, магнитные свойства) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.

Линейные дефекты. Клинейным несовершенствам относятсядислока-ции , которые бываюткраевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней “лишней” атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа.

Н

Вектор сдвига

Рис. Сдвиг, создавший краевую дислокацию

- положительная дислокация

Отрицательная дислокация

Рис. Схемы расположения атомов у дислокации.

Кристаллическая решётка вокруг дислокации упруго искажена на несколько атомных расстояний. Длина линии дислокации может составлять несколько тысяч параметров решётки.

Винтовые дислокации . В отличие от краевых расположены парал­лельно направлению сдвига. При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности.

Образование дислокаций может происходить в процессе кристал­лизации, при пластической деформации, термической обработке и др. процессах. С помощью дислокаций можно объяснить многие явления, связанные с прочностью металлов, особенностями фазовых превращений, протекающих в сплавах, и др. явления.

Поверхностные дефекты . Эти несовершенства связанны с границами зерен. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объёме зёрна. Каждое зерно металла состоит из отдельныхблоков илисубзёрен , образующих так называемуюмозаичную структуру илисубструктуру . Зёрна металла разориентированы отно­сительно друг друга на величину, достигающую от нескольких долей градуса до нескольких градусов или их десятков.

Блоки, или субзёрна, также повёрнуты по отношению друг другу на угол от несколько секунд до нескольких минут. В пределах каждого блока решётка почти идеальная, если не считать точечных дефектов. По границам зёрен скапливаются дислокации, а также примеси и включения. По границам зёрна расположены менее правильно, т. к. решётка одного кристалла, имеющего определённую кристаллографическую ориентацию, переходит в решётку другого кристалла, имеющего другую кристаллографическую ориентацию.

С увеличением угла разориентировки блоков или субзёрен и уменьше­ния их величины плотность дислокаций в металле увеличивается. Вследствие того, что в реальном поликристаллическом металле протяжённость границ блоков и зёрен очень велика, количество дислокаций в таком металле огромно (10 4 – 10 12 см -2).